基于Simcenter 3D智能虚拟传感的可执行数字孪生应用

背景：

测试验证是产品研发生命周期中的重要环节，尤其在新产品开发过程中至关重要。传统的方法是将物理传感器安装到产品的关键位置，以测量产品在给定负载条件下的响应。基于这些测试数据，设计师们能够评估并验证产品的静态和动态响应是否符合设计预期。有时设计师还需要改变加载策略来测试产品在极限工况下是否能在一定安全裕度内工作。然而，在制造业快速升级、个性化产品定制需求日益增加以及产品交付周期不断缩短的背景下，物理测试面临多重挑战。

测试工程师经常面临以下挑战：如何在无法放置物理传感器的位置进行测量？这包括：

        ▪由于几何形状复杂，应变片无法在关键位置点上安装

        ▪由于结构空间紧凑，加速器无法安装到关键部位

        ▪添加额外的负载传感器会改变结构动力学，因此难以准确测量工作负载

        ▪为了全面测试整个结构，需要放置大量传感器，这导致安装时间长且工作量大

        ▪进行整车测试以验证特定的车辆部件不仅费时而且成本高昂

        ▪在测试过程中，意外过载可能导致结构损坏和成本增加    

    许多工程师都在思考，是否有一种新技术可以帮助解决这些挑战。西门子创造性地提供了一种先进的解决方案——Simcenter 3D 智能虚拟传感。

    Simcenter 3D 智能虚拟传感技术通过仿真和建模在计算机环境中模拟物理传感器的功能，使工程师能够在数字模型中获取应力、应变、加速度等关键性能数据，而无需实际安装传感器。这不仅减少了对大量物理传感器和复杂测试设置的依赖，从而节省时间和成本，还能够克服物理传感器在关键位置安装的限制和结构复杂性的挑战。通过在设计和开发的早期阶段使用智能虚拟传感，工程师能够更早地识别和解决潜在问题，加快产品开发进程并提高设计质量。Simcenter 3D 平台提供的集成仿真环境，使得智能虚拟传感技术与其他仿真工具和工作流程无缝结合，进一步提升了工程效率和数据一致性。

    借助Simcenter 3D智能虚拟传感，工程师可以：

        ▪通过放置在可达位置的物理传感器来测量难以安装传感器的关键点位置

        ▪从远程位置测量加速度，以避免紧凑空间区域

        ▪通过应变片来测量工作负载，而不是添加负载传感器

        ▪使用虚拟传感器来替代或补充物理传感器，以加快测试进程并节约成本

        ▪从整车测试中确定目标部件的操作负载，然后在测试台上复现等效负载

        ▪在测试过程中实时监测全场应力，并在达到临界应力时调整输入载荷

Simcenter提供从Simcenter 3D智能虚拟传感应用程序到测试环境的集成工作流程。能够导出的可执行数字孪生（xDT），支持部署在基于模型的系统测试（MBST）平台上，使其具有适应不同测试场景的能力。

此工作流程的起点是Simcenter 3D智能虚拟传感模块。用户可以在软件中创建智能虚拟传感解决方案，并定义xDT的输入和输出。输入是必要的物理测量，输出可以是目标位置、负载和全场状态的虚拟传感器。整个流程中嵌入了数据融合求解器和降阶有限元模型，用户能够方便地导出xDT。具体步骤如下：

1. 创建智能虚拟传感解决方案：在Simcenter 3D软件中，用户首先需要创建一个智能虚拟传感解决方案。这个解决方案包括对虚拟传感器的详细定义。

2. 定义xDT的输入和输出：

    🔹输入：用户必须定义所需的物理测量作为输入。这些输入数据可能包括由传感器采集的物理量，如应力、应变等。

    🔹输出：用户需要定义所需的输出参数，例如特定位置的物理状态、负载情况以及全场状态。这些输出是通过虚拟传感器进行计算和预测得到的。

3. 嵌入数据融合求解器和降阶有限元模型：在定义好输入和输出之后，数据融合求解器和降阶有限元模型会被嵌入到导出的xDT 中。

    🔹数据融合求解器：用于结合来自不同来源的数据，以提供更准确和可靠的预测。

    🔹降阶有限元模型：提供快速计算能力，同时保持足够的精度，适用于实时或准实时的应用场景。
    通过这些步骤，用户可以在Simcenter 3D中创建一个智能虚拟传感解决方案，并导出包含必要计算模型和数据融合功能的xDT ，用于后续的分析和应用。这种方法不仅提高了预测的准确性，还大幅度缩短了计算时间，使得实时监测和控制成为可能。

Simcenter 3D智能虚拟传感xDT可以部署到Simcenter Testlab RT（实时MBST）和Simcenter Testlab Neo（离线MBST）中，每个选项都支持不同的用户场景。

    用户可以选择离线工作，以扩展测量的数据集。由于测试和数据采集已经完成，虚拟传感数据可以帮助扩展物理测量，为用户提供全面的工程见解，例如操作负载和增强的虚拟传感测量。这使得用户能够轻松地将新方法集成到现有的测试项目中，例如使用扩展的虚拟传感器在更多位置执行耐久性分析。

    用户也可以选择实时测试，在Testlab RT中部署智能虚拟传感器可以实时提供所有负载和虚拟传感器的仿真估计值，使用户能够监控和交互测试过程。例如，在测试新零件或原型样机时，损坏零件可能会导致高昂的成本并延长开发周期。因此，保护零件的方法至关重要。通过Simcenter Testlab RT和Smart Virtual Sensing xDT，用户可以在测试过程中获得更多的洞察。如果负载超过可接受值，用户可以及时停止测试，从而保护零件。

基于离线模型的系统测试应用，用户首先需要执行测试和数据采集，然后通过在Simcenter Testlab Neo中部署Smart Virtual Sensing xDT来增强测试结果。xDT的输入将是相应的测试数据，输出是虚拟传感器的仿真估计值和负载估计。

基于离线模型的系统测试部署具体步骤如下：

步骤1: 使用仪器化物理传感器和Simcenter SCADA进行数据采集的性能测试。

步骤2: 使用Simcenter Testlab Neo Process Designer中的专用功能模型单元（FMU）方法将智能虚拟传感xDT部署到测试环境中。

步骤3: 用物理测量结果配置xDT输入。

步骤4: 执行xDT以使用更多虚拟传感器通道和估计负载扩展物理测量。

步骤5: 根据丰富的测试结果进行进一步的测试数据后处理，为用户提供全面的工程洞见。

    以上整个完整的工作流程经过精心设计，可以将导出的智能虚拟传感xDT无缝集成到测试环境中。这为促进测试过程开辟了许多新的可能。例如，在可接近的地方进行的一些应变测量可以通过虚拟传感得到关键位置的操作负载和应力，从而增强传统测量结果的可用性。根据估计的载荷，用户可以进行强度和耐久性分析。

基于实时模型的系统测试

离线方法虽然很有用，但需要先完成测试，然后对测试数据进行处理和分析。在有些场景下，实时获得虚拟传感估计可能更具优势。通过将智能虚拟传感xDT嵌入实时MBST，可以获得扩展的虚拟测试通道，实时查看测试过程中的全场应力和变形。甚至可以利用这些全场估计结果来优化测试过程。例如，当达到临界应力的安全裕度时，可以降低输入负载，从而保护昂贵或不可替代的测试对象。

   通过将Simcenter 3D Smart Virtual Sensing xDT部署到Simcenter Testlab RT中，可以设置实时MBST。Simcenter Testlab RT提供应用软件和实时硬件来运行Simcenter 3D智能虚拟传感xDT，将物理输入反馈到FMU输入，并实时获得FMU模型的输出。这样就能够在进行物理测量的同时提供负载估计和全场应力估计。虚拟通道的结果可以与物理通道一起显示为图表，全场估计结果也可以同步传输到可视化工具，以便全面了解全场状态。

基于实时模型的系统测试部署具体步骤如下：

步骤1：将传感器连接到Testlab RT，通过实时数据采集系统进行数据传输。

步骤2：通过web界面将智能虚拟传感xDT部署到Testlab RT。

步骤3：用实时测试通道配置xDT输入。

步骤4：运行物理测试并执行Smart Virtual Sensor xDT以获取实时虚拟传感数据。

步骤5：将xDT估计结果实时传输到AR增强现实可视化工具，以进行全场状态监测。

总结

Simcenter 3D智能虚拟传感和基于模型的系统测试工具相结合，能够在产品开发过程中提高测试效率与数据精度，扩展物理测试使用范围，通过AR增强获得动态实时全场测试信息。这不仅有助于降低成本，还能加速产品上市时间，提高产品的性能和可靠性。

    西门子工程咨询服务能够基于客户需求定制开发基于Simcenter 3D智能虚拟传感的可执行数字孪生落地解决方案，目前在深圳光明创新中心已经有一个成熟的可执行数字孪生机械臂应用案例，欢迎大家参观交流。